Hlavní vnitřní proteiny - Major intrinsic proteins

Hlavní vnitřní protein
PDB 1fx8 EBI.jpg
Struktura kanálu vedoucího glycerol.[1]
Identifikátory
SymbolMIP
PfamPF00230
InterProIPR000425
STRÁNKAPDOC00193
SCOP21fx8 / Rozsah / SUPFAM
TCDB1.A.8
OPM nadčeleď7
OPM protein1z98
CDDcd00333

Hlavní vnitřní proteiny obsahují velkou nadrodinu transmembránových proteinových kanálů, které jsou seskupeny na základě homologie. Nadrodina MIP zahrnuje tři podskupiny: aquaporiny, aquaglyceroporiny a S-aquaporiny.[2]

  1. The aquaporiny (AQP) jsou selektivní pro vodu.
  2. The aquaglyceroporiny jsou propustné pro vodu, ale také pro další malé nenabité molekuly, jako je glycerol.
  3. Třetí podrodina s málo konzervovanými aminokyselinovými sekvencemi kolem NPA boxů zahrnuje 'superaquaporiny `` (S-aquaporiny).

Byla publikována fylogeneze kanálů rodiny MIP hmyzu.[3][4][5]

Rodiny

K rodině patří dvě rodiny Nadčeleď MIP.

Hlavní rodina vnitřních proteinů (TC # 1.A.8)

Rodina MIP je velká a různorodá a má tisíce členů, kteří tvoří transmembránové kanály. Tyto proteiny kanálu fungují při transportu vody, malé sacharidy (např., glycerol ), močovina, NH3, CO2, H2Ó2 a ionty energeticky nezávislými mechanismy. Například glycerolový kanál, FPS1p z Saccharomyces cerevisiae zprostředkovává příjem arsenitu a antimonitu.[6] Zdá se, že propustnost iontů nastává cestou odlišnou od cesty použité pro transport voda / glycerol a může zahrnovat kanál na rozhraní 4 podjednotek, spíše než kanály přes podjednotky.[7] Členové rodiny MIP se nacházejí všudypřítomně v bakteriích, archaeách a eukaryotech. Fylogenetické shlukování proteinů je primárně založeno na kmeni původních organismů, ale pro každé fylogenetické království (rostliny, zvířata, kvasinky, bakterie a archea) je pozorován jeden nebo více shluků.[8] MIP jsou ve vyšších rostlinách rozděleny do pěti podskupin, včetně plazmatických membrán (PIP), tonoplastů (TIP), NOD26 podobných (NIP), malých bazických (SIP) a neklasifikovaných X (XIP) vnitřních proteinů. Jeden z rostlinných klastrů obsahuje pouze proteiny tonoplastů (TIP), zatímco jiný zahrnuje plazmatická membrána (PIP) proteiny.[9]

Hlavní vnitřní protein

Hlavní vnitřní protein (MIP) lidské čočky oka (Aqp0), po kterém byla pojmenována rodina MIP, představuje asi 60% proteinu v buňce čočky. V nativní podobě je to aquaporin (AQP), ale během vývoje čočky se proteolyticky zkracuje. Kanál, ve kterém se obvykle nachází 6-9 molekul vody, se zúží, takže zůstanou jen tři a ty jsou uvězněny v uzavřené konformaci.[10][11] Tyto zkrácené tetramery tvoří mezibuněčné adhezivní spoje (hlava k hlavě), čímž se získá krystalické pole, které zprostředkovává tvorbu čočky s buňkami těsně zabalenými podle potřeby, aby se vytvořila čirá čočka.[12] Lipidy krystalizují s proteinem.[13] Aktivita iontového kanálu byla prokázána pro Aquaporins 0, 1 a 6, Drosophila 'Big Brain' (bryndák)[14] a zasadit Nodulin-26.[15] Byly přezkoumány role aquaporinů u lidské rakoviny, stejně jako jejich skládací dráhy.[16][17] AQP mohou působit jako transmembránové osmosenzory v červených krvinkách, sekrečních granulích a mikroorganismech.[18] Byly přezkoumány MIP superfamly proteiny a varianty jejich selektivních filtrů.[19]

Aquaporin

Aktuálně známé aquaporiny shlukujte se volně společně se známými facilitátory glycerolu.[20] Předpokládá se, že proteiny rodiny MIP tvoří vodné póry, které selektivně umožňují pasivní transport jejich rozpuštěných látek přes membránu s minimálním zjevným rozpoznáním. Aquaporiny selektivně transportují glycerol i vodu, zatímco glycerolové facilitátory selektivně transportují glycerol, ale ne vodu. Některé aquaporiny mohou transportovat NH3 a CO2. Facilitátory glycerolu fungují jako nespecifické kanály rozpuštěných látek a mohou ve fyziologicky důležitých procesech transportovat glycerol, dihydroxyaceton, propandiol, močovinu a další malé neutrální molekuly. Někteří členové rodiny, včetně kvasinkového proteinu Fps1 (TC # 1.A.8.5.1 ) a tabák NtTIPa (TC # 1.A.8.10.2 ) může přepravovat vodu i malé rozpuštěné látky.[20]

Příklady

Seznam téměř 100 aktuálně klasifikovaných členů rodiny MIP lze nalézt v Databáze klasifikace transportérů. Mezi rodinné kanály MIP patří:

  • Savčí hlavní vnitřní protein (MIP). MIP je hlavní složkou křižovatky s optickými vlákny.
  • Savčí aquaporiny.[20] (InterPro: IPR012269 ) Tyto proteiny tvoří kanály specifické pro vodu, které zajišťují plazmatické membrány červených krvinek, stejně jako proximální ledviny a sběrné tubuly s vysokou propustností pro vodu, čímž umožňují vodě pohybovat se ve směru osmotického gradientu.
  • Sójový nodulin-26, hlavní složka peribakteroidní membrány indukované během nodulace v kořenech luštěnin po Rhizobium infekce.
  • Rostlinné tonoplastové vnitřní proteiny (TIP). Existují různé izoformy TIP: alfa (semeno), gama, Rt (kořen) a Wsi (vodní stres). Tyto proteiny mohou umožňovat difúzi vody, aminokyselin a / nebo peptidů z vnitřku tonoplastů do cytoplazmy.
  • Bakteriální protein usnadňující glycerol (gen glpF), který usnadňuje pohyb glycerolu nespecificky přes cytoplazmatickou membránu.[21]
  • Salmonella typhimurium zprostředkovatel difúze propandiolu (gen pduF).
  • Kvasinky FPS1, protein usnadňující příjem / odtok glycerolu.
  • Drosophila neurogenní protein „velký mozek“ (bib). Tento protein může zprostředkovat mezibuněčnou komunikaci; může fungovat tak, že umožňuje transport určitých molekul (molekul) a tím vysílá signál, aby se exodermální buňka stala epidermoblastem místo neuroblastu.
  • Kvasnicový hypotetický protein YFL054c.
  • Hypotetický protein z oblasti pepX v Lactococcus lactis.

Struktura

Kanály rodiny MIP se skládají z homotetramerů (např. GlpF z E-coli; TC # 1.A.8.1.1, AqpZ ze dne E-coli; TC # 1.A.8.3.1 a MIP nebo Aqp0 z Bos taurus; TC # 1.A.8.8.1 ). Každá podjednotka překlenuje membránu šestkrát jako domnělé α-šroubovice. Předpokládá se, že 6 TMS domén vzniklo z 3-klíčového kódujícího genetického prvku tandemovou, intragenní duplikací. Obě poloviny proteinů jsou proto v membráně opačné orientace. Dobře konzervovaná oblast mezi TMS 2 a 3 a TMS 5 a 6 se ponoří do membrány, přičemž každá smyčka tvoří polovinu TMS.[22][23] Běžným aminoacylovým motivem v těchto transportérech je motiv asparagin – prolin – alanin (NPA). Aquaporiny mají obecně NPA motiv v obou polovinách, glycerolové facilitátory obecně mají NPA motiv v první polovině a DPA motiv ve druhé polovině a super-aquaporiny mají špatně konzervované NPA motivy v obou polovinách.[2]

Facilitátor absorpce glycerolu

Krystalová struktura glycerolového zprostředkovatele E-coli (TC # 1.A.8.1.1 ) byl vyřešen při rozlišení 2,2 Å (PDB: 1FX8​).[24] Molekuly glycerolu vytvářejí v kanálu jeden soubor a procházejí úzkým filtrem selektivity. Dva konzervované D-P-A motivy ve smyčkách mezi TMS 2 a 3 a TMS 5 a 6 tvoří rozhraní mezi dvěma duplikovanými polovinami každé podjednotky. Každá polovina proteinu tedy tvoří 3,5 TMS obklopujících kanál. Struktura vysvětluje, proč je GlpF selektivně propustný pro uhlohydráty s přímým řetězcem, a proč jsou voda a ionty z velké části vyloučeny. Aquaporin-1 (AQP1) a bakteriální glycerolový facilitátor GlpF mohou transportovat O2, CO2, NH3, glycerol, močovina a voda v různé míře. U malých rozpuštěných látek procházejících AQP1 existuje antikorelace mezi propustností a hydrofobitou rozpuštěných látek.[25] AQP1 je tedy selektivní filtr pro malé polární rozpuštěné látky, zatímco GlpF je vysoce propustný pro malé rozpuštěné látky a méně propustný pro větší rozpuštěné látky.

Aquaporin-1

Aquaporin-1 (Aqp1) z lidských červených krvinek byl vyřešen elektronovou krystalografií na rozlišení 3,8 Å (PDB: 1FQY​).[26] Vodná cesta je lemována konzervovanými hydrofobními zbytky, které umožňují rychlý transport vody. Selektivita vody je způsobena zúžením vnitřního průměru pórů na přibližně 3 Å v rozpětí jednoho zbytku, povrchně podobným jako u glycerolového zprostředkovatele E-coli. V RCSB je k dispozici několik dalších nedávno vyřešených krystalových struktur, mimo jiné: PDB: 4CSK​, 1H6I​, 1IH5​.

Aquaporin-Z

AqpZ, homotetramer (tAqpZ) čtyř vodivých kanálů, které usnadňují rychlé pohyby vody přes plazmatickou membránu E-coli, bylo vyřešeno na rozlišení 3,2 Å (PDB: 2ABM). Všechny zbytky lemující kanál ve čtyřech monomerních kanálech jsou orientovány v téměř identických pozicích, s výjimkou nejužšího zúžení kanálu, kde boční řetězec konzervovaného Arg-189 zaujímá dvě odlišné orientace. V jednom ze čtyř monomerů ukazuje guanidinová skupina Arg-189 směrem k periplazmatickému vestibulu a otevírá zúžení, aby se přizpůsobilo navázání molekuly vody prostřednictvím trojmocné H-vazby. V dalších třech monomerech se guanidinová skupina Arg-189 ohýbá a vytváří H-vazbu s karbonylovým kyslíkem Thr-183 uzavírajícím kanál. Struktura tAqpZ má proto dvě různé konformace Arg-189, které zajišťují průnik vody kanálem. Střídání mezi dvěma konformacemi Arg-189 narušuje nepřetržitý tok vody, čímž reguluje pravděpodobnost otevření vodního póru. Rozdíl v posunech Arg-189 dále koreluje se silnou hustotou elektronů nalezenou mezi prvními transmembránovými šroubovicemi dvou otevřených kanálů, což naznačuje, že pozorované konformace Arg-189 jsou stabilizovány asymetrickými interakcemi podjednotek v tAqpZ.[27] Další vyřešené krystalové struktury pro AqpZ zahrnují: PDB: 3NK5 ​, 3 NKC​, 1RC2​.

PIP1 a PIP2

Byly vyřešeny 3-D struktury otevřené a uzavřené formy rostlinných aquaporinů, PIP1 a PIP2 (PDB: 4JC6). V uzavřené konformaci smyčka D uzavře kanál z cytoplazmy a tím uzavře póry. V otevřené konformaci je smyčka D přemístěna až na 16 Á a tento pohyb otevírá hydrofobní bránu blokující vstup kanálu z cytoplazmy. Tyto výsledky odhalují mechanismus molekulárního hradlování, který se jeví konzervovaný u všech rostlinných membránových aquaporinů. V rostlinách reguluje příjem / vývoz vody v reakci na dostupnost vody a cytoplazmatické pH během anoxie.[28]

Lidské proteiny obsahující tuto doménu

AQP1,AQP2,AQP3,AQP4,AQP5,AQP6,AQP7,AQP8,AQP9,AQP10,MIP

Viz také

Reference

  1. ^ Fu D, Libson A, Miercke LJ a kol. (Říjen 2000). "Struktura kanálu vedoucího glycerol a základ pro jeho selektivitu". Věda. 290 (5491): 481–6. Bibcode:2000 sci ... 290..481F. doi:10.1126 / science.290.5491.481. PMID  11039922.
  2. ^ A b Benga, Gheorghe (2012-12-01). "K definici, nomenklatuře a klasifikaci proteinů ve vodním kanálu (aquaporiny a příbuzní)". Molekulární aspekty medicíny. 33 (5–6): 514–517. doi:10.1016 / j.mam.2012.04.003. ISSN  1872-9452. PMID  22542572.
  3. ^ Reizer J, Reizer A, Saier Jr MH (1993). „Rodina MIP proteinů integrálního membránového kanálu: srovnání sekvencí, evoluční vztahy, rekonstruovaná cesta evoluce a navrhovaná funkční diferenciace dvou opakovaných polovin proteinů“. Krit. Biochem. Mol. Biol. 28 (3): 235–257. doi:10.3109/10409239309086796. PMID  8325040.
  4. ^ Pao GM, Johnson KD, Chrispeels MJ, Sweet G, Sandal NN, Wu LF, Saier Jr MH, Hofte H (1991). "Vývoj rodiny MIP integrálních membránových transportních proteinů". Mol. Microbiol. 5 (1): 33–37. doi:10.1111 / j.1365-2958.1991.tb01823.x. PMID  2014003.
  5. ^ Finn, Roderick Nigel; Chauvigné, François; Stavang, Jon Anders; Belles, Xavier; Cerdà, Joan (01.01.2015). „Transportéry hmyzu a glycerolu se vyvinuly funkční možností a náhradou genů“. Příroda komunikace. 6: 7814. Bibcode:2015NatCo ... 6.7814F. doi:10.1038 / ncomms8814. ISSN  2041-1723. PMC  4518291. PMID  26183829.
  6. ^ Wysocki, R .; Chéry, C. C .; Wawrzycka, D .; Van Hulle, M .; Cornelis, R .; Thevelein, J. M .; Tamás, M. J. (06.06.2001). „Glycerolový kanál Fps1p zprostředkovává příjem arsenitu a antimonitu v Saccharomyces cerevisiae“. Molekulární mikrobiologie. 40 (6): 1391–1401. doi:10.1046 / j.1365-2958.2001.02485.x. ISSN  0950-382X. PMID  11442837.
  7. ^ Saparov, S. M .; Kozono, D .; Rothe, U .; Agre, P .; Pohl, P. (2001-08-24). „Prostupnost vody a iontů aquaporinu-1 v planárních lipidových vrstvách. Hlavní rozdíly ve strukturních determinantech a stechiometrii“. The Journal of Biological Chemistry. 276 (34): 31515–31520. doi:10,1074 / jbc.M104267200. ISSN  0021-9258. PMID  11410596.
  8. ^ Park, JH; Saier, MH Jr. (říjen 1996). "Fylogenetická charakterizace rodiny MIP proteinů transmembránového kanálu". The Journal of Membrane Biology. 153 (3): 171–180. doi:10.1007 / s002329900120. PMID  8849412. S2CID  1559932.
  9. ^ Martins, Cristina de Paula Santos; Pedrosa, Andresa Muniz; Du, Dongliang; Gonçalves, Luana Pereira; Yu, Qibin; Gmitter, Frederick G .; Costa, Marcio Gilberto Cardoso (01.01.2015). „Charakterizace a analýza exprese hlavních vnitřních proteinů v průběhu abiotických a biotických stresů ve sladké oranžové (Citrus sinensis L. Osb.)“. PLOS ONE. 10 (9): e0138786. Bibcode:2015PLoSO..1038786D. doi:10.1371 / journal.pone.0138786. ISSN  1932-6203. PMC  4580632. PMID  26397813.
  10. ^ Gonen, Tamir; Cheng, Yifan; Kistler, Joerg; Walz, Thomas (2004-09-24). "Aquaporin-0 membránové spoje se tvoří po proteolytickém štěpení". Journal of Molecular Biology. 342 (4): 1337–1345. CiteSeerX  10.1.1.389.4773. doi:10.1016 / j.jmb.2004.07.076. ISSN  0022-2836. PMID  15351655.
  11. ^ Gonen, Tamir; Sliz, Piotr; Kistler, Joerg; Cheng, Yifan; Walz, Thomas (13.05.2004). „Membránové spoje Aquaporin-0 odhalují strukturu uzavřeného vodního póru“. Příroda. 429 (6988): 193–197. Bibcode:2004 Natur.429..193G. doi:10.1038 / nature02503. ISSN  1476-4687. PMID  15141214. S2CID  4351205.
  12. ^ Gonen, Tamir; Walz, Thomas (01.11.2006). "Struktura aquaporinů". Čtvrtletní recenze biofyziky. 39 (4): 361–396. doi:10.1017 / S0033583506004458. ISSN  0033-5835. PMID  17156589.
  13. ^ Gonen, Tamir; Cheng, Yifan; Sliz, Piotr; Hiroaki, Yoko; Fujiyoshi, Yoshinori; Harrison, Stephen C .; Walz, Thomas (01.12.2005). „Interakce lipidů a proteinů ve dvouvrstvých dvourozměrných krystalech AQP0“. Příroda. 438 (7068): 633–638. Bibcode:2005 Natur.438..633G. doi:10.1038 / nature04321. ISSN  1476-4687. PMC  1350984. PMID  16319884.
  14. ^ Rao, Y .; Bodmer, R .; Jan, L. Y .; Jan, Y. N. (01.09.1992). "Velký mozkový gen Drosophila funguje tak, že řídí počet neuronových prekurzorů v periferním nervovém systému". Rozvoj. 116 (1): 31–40. ISSN  0950-1991. PMID  1483394.
  15. ^ Yool, Andrea J .; Campbell, Ewan M. (2012-12-01). „Struktura, funkce a translační význam duálních vodních a iontových kanálů aquaporinu“. Molekulární aspekty medicíny. 33 (5–6): 553–561. doi:10.1016 / j.mam.2012.02.001. ISSN  1872-9452. PMC  3419283. PMID  22342689.
  16. ^ Pareek, Gautam; Krishnamoorthy, Vivekanandhan; D'Silva, Patrick (01.12.2013). „Molekulární vhledy odhalující interakci Tim23 a kanálových podjednotek pre-sekvenčního translocase“. Molekulární a buněčná biologie. 33 (23): 4641–4659. doi:10.1128 / MCB.00876-13. ISSN  1098-5549. PMC  3838011. PMID  24061477.
  17. ^ Klein, Noreen; Neumann, Jennifer; O'Neil, Joe D .; Schneider, Dirk (01.02.2015). „Skládání a stabilita aquaglyceroporinu GlpF: Důsledky pro nemoci lidských aqua (glycero) porinů“. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembrány. 1848 (2): 622–633. doi:10.1016 / j.bbamem.2014.11.015. ISSN  0006-3002. PMID  25462169.
  18. ^ Hill, A.E .; Shachar-Hill, Y. (2015-08-01). „Jsou Aquaporiny chybějícími transmembránovými osmosenzory?“. The Journal of Membrane Biology. 248 (4): 753–765. doi:10.1007 / s00232-015-9790-0. ISSN  1432-1424. PMID  25791748. S2CID  563249.
  19. ^ Verma, Ravi Kumar; Gupta, Anjali Bansal; Sankararamakrishnan, Ramasubbu (01.01.2015). Hlavní nadrodina vnitřních proteinů: kanály s jedinečnými strukturálními vlastnostmi a rozmanitými filtry selektivity. Metody v enzymologii. 557. str. 485–520. doi:10.1016 / bs.mie.2014.12.006. ISBN  9780128021835. ISSN  1557-7988. PMID  25950979.
  20. ^ A b C Chrispeels MJ, Agre P (1994). „Aquaporiny: proteiny vodního kanálu rostlinných a živočišných buněk“. Trends Biochem. Sci. 19 (10): 421–425. doi:10.1016/0968-0004(94)90091-4. PMID  7529436.
  21. ^ Heller, K. B .; Lin, E. C .; Wilson, T. H. (10.10.1980). "Specifičnost substrátu a transportní vlastnosti glycerolového zprostředkovatele Escherichia coli". Journal of Bacteriology. 144 (1): 274–278. doi:10.1128 / JB.144.1.274-278.1980. ISSN  0021-9193. PMC  294637. PMID  6998951.
  22. ^ Wistow GJ, Pisano MM, Chepelinsky AB (1991). "Tandemová sekvence se opakuje v proteinech transmembránového kanálu". Trends Biochem. Sci. 16 (5): 170–171. doi:10.1016/0968-0004(91)90065-4. PMID  1715617.
  23. ^ Beese-Sims, Sara E .; Lee, Jongmin; Levin, David E. (2011-12-01). „Kvasinkový Fps1 glycerolový zprostředkovatel funguje jako homotetramer“. Droždí. 28 (12): 815–819. doi:10,1002 / ano 1908. ISSN  1097-0061. PMC  3230664. PMID  22030956.
  24. ^ Fu, D .; Libson, A .; Miercke, L. J .; Weitzman, C .; Nollert, P .; Krucinski, J .; Stroud, R. M. (2000-10-20). "Struktura kanálu vedoucího glycerol a základ pro jeho selektivitu". Věda. 290 (5491): 481–486. Bibcode:2000 sci ... 290..481F. doi:10.1126 / science.290.5491.481. ISSN  0036-8075. PMID  11039922.
  25. ^ Hub, Jochen S .; de Groot, Bert L. (2008-01-29). „Mechanismus selektivity u aquaporinů a aquaglyceroporinů“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 105 (4): 1198–1203. Bibcode:2008PNAS..105.1198H. doi:10.1073 / pnas.0707662104. ISSN  1091-6490. PMC  2234115. PMID  18202181.
  26. ^ Murata, K .; Mitsuoka, K .; Hirai, T .; Walz, T .; Agre, P .; Heymann, J. B .; Engel, A .; Fujiyoshi, Y. (2000-10-05). "Strukturní determinanty prostupu vody přes aquaporin-1". Příroda. 407 (6804): 599–605. Bibcode:2000Natur.407..599M. doi:10.1038/35036519. ISSN  0028-0836. PMID  11034202. S2CID  4402613.
  27. ^ Jiang, Jiansheng; Daniels, Brenda V .; Fu, Dax (06.01.2006). „Krystalová struktura tetrameru AqpZ odhaluje dvě odlišné konformace Arg-189 spojené s pronikáním vody nejužším zúžením vodovodního kanálu“. The Journal of Biological Chemistry. 281 (1): 454–460. doi:10,1074 / jbc.M508926200. ISSN  0021-9258. PMID  16239219.
  28. ^ Törnroth-Horsefield, Susanna; Wang, Yi; Hedfalk, Kristina; Johanson, Urban; Karlsson, Maria; Tajkhorshid, Emad; Neutze, Richard; Kjellbom, Per (09.02.2006). "Strukturální mechanismus brány rostlinného aquaporinu". Příroda. 439 (7077): 688–694. Bibcode:2006 Natur.439..688T. doi:10.1038 / nature04316. ISSN  1476-4687. PMID  16340961. S2CID  4365486.